DC充電站：ST在功率與控制層面所遇到之挑戰(zhàn)

預(yù)計(jì)到2027年，全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)展，而亞太地區(qū)電動(dòng)汽車銷量的迅速成長推動(dòng)了全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)的成長。意法半導(dǎo)體（ST）產(chǎn)品可支持此一市場(chǎng)／應(yīng)用。本文介紹主要系統(tǒng)架構(gòu)以及主要適用的ST產(chǎn)品。
預(yù)計(jì)到2027年，全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)規(guī)模將從2020年估計(jì)的2,115,000個(gè)成長至30,758,000個(gè)，復(fù)合年均成長率高達(dá)46.6%。該報(bào)告的基準(zhǔn)年為2019年，預(yù)測(cè)期為2020年至2027年。[1] 從地理位置來看，亞太地區(qū)（尤其是中國）電動(dòng)汽車銷量的迅速成長推動(dòng)了全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)的成長。預(yù)測(cè)期間內(nèi)歐洲有望成為第二大市場(chǎng)。
有鑒于30分鐘內(nèi)即可將電動(dòng)汽車快速充滿的便利性，3級(jí)充電（即DC快速充電）的成長速度最快。意法半導(dǎo)體（ST）產(chǎn)品可支持此一市場(chǎng)／應(yīng)用。將在以下章節(jié)中介紹主要系統(tǒng)架構(gòu)以及主要適用的意法半導(dǎo)體產(chǎn)品。

架構(gòu)與ST產(chǎn)品
DC快速充電站的功率范圍為30-150kW，該技術(shù)采用15-30 kW子單元的模塊化方法（圖一），并透過將子單元堆棧來形成功率更高的DC充電系統(tǒng)。該方法提供了一種彈性、快速、安全且實(shí)惠的解決方案。
ST產(chǎn)品涵蓋了每個(gè)子單元（圖二）中所包含的主功率和控制單元/驅(qū)動(dòng)級(jí)。

圖一 : 充電站子單元可堆棧解決方案

對(duì)于功率級(jí)（PFC + DC-DC部分），設(shè)計(jì)效率為關(guān)鍵，對(duì)于功率范圍為15-30kW的子單元，ST為PFC、DC-DC和控制單元／驅(qū)動(dòng)級(jí)提供合適且高效的智能產(chǎn)品，如下所述。

PFC級(jí)
對(duì)于3相輸入，功率因子校正（PFC）級(jí)可透過幾種配置來實(shí)現(xiàn)，并通常使用Vienna整流器拓?fù)洌▓D三，類型1或類型2）。
 

圖二 : 子單元架構(gòu)圖

 
圖三 : PFC Vienna整流器拓?fù)?br/>
根據(jù)設(shè)計(jì)和/或客戶需求，意法半導(dǎo)體提供多種開關(guān)（圖三，組件T）：
? 第二代SiC MOSFET@內(nèi)文:（650V系列SCT*N65G2）基于寬能隙材料的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，藉由單位面積極低的導(dǎo)通電阻以及出色的開關(guān)性能，可達(dá)到高效且高率配置緊密的設(shè)計(jì)。特別是，具有18mΩ RDS(on)的4腳位SCTW90N65G2V-4可在100℃下輕松處理90 A的漏極電流。
? IGBT HB2系列@內(nèi)文:（650V系列STGW*H65DFB2）可在中至高頻率下運(yùn)作的應(yīng)用中確保更高的效率。結(jié)合較低的飽和電壓（1.55 V典型值）和較低的總閘極電荷，該IGBT系列可確保應(yīng)用在關(guān)斷期間具有最低的過沖電壓并具有較低的關(guān)斷耗能。特別是，受益于將電源路徑與驅(qū)動(dòng)訊號(hào)隔開的Kelvin腳位，STGW40H65DFB-4可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)。
? 功率MOSFET MDMesh M5系列@內(nèi)文:（650V系列，STW*N65M5）采用創(chuàng)新的垂直制程，具有更高的VDSS額定值和高dv/dt性能、出色的導(dǎo)通電阻 x面積以及卓越的開關(guān)性能。

在輸入級(jí)中，可透過以下組件來控制浪涌電流：

? SCR閘流體@內(nèi)文:TN*50H-12WY（圖三，Vienna 1，組件DA）是一款經(jīng)AEC-Q101認(rèn)證的整流器，具有優(yōu)化的功率密度和抗浪涌電流能力，可實(shí)現(xiàn)1200V的阻斷能力，就可避免使用限制系統(tǒng)效率與壽命的無源組件。
? 輸入橋整流器@內(nèi)文:STBR*12 1200系列（圖三，Vienna1，組件DB）具有低正向壓降，可提升輸入橋的效率，并符合最嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。該產(chǎn)品適用于混合橋配置以及ST的SCR閘流體。
就二極管而言，新型SiC二極管650/1200V系列拓?fù)浣Y(jié)合了最低的正向電壓與最先進(jìn)的正向浪涌電流穩(wěn)健性。設(shè)計(jì)人員可以選擇低額定電流二極管而不犧牲轉(zhuǎn)換器的效率，同時(shí)提升高性能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。
? Vienna 1型為650V（STPSC*H65）（圖三，組件DC）
? Vienna 2型為1200V（STPSC*H12）（圖三，組件D）

DC-DC級(jí)
在DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)中，由于其效率、電流隔離和較少的組件，全橋諧振拓?fù)洌▓D四）通常為首選。
 

圖四 : FB-LLC諧振拓補(bǔ)

對(duì)于Vout= 750-900V的3相PFC轉(zhuǎn)換器以及400V-800V的高壓電池，ST為FB-LLC諧振轉(zhuǎn)換器提供：
? 第二代SiC MOSFET 1200V系列SCT*N120G2（圖四，組件T）
? SiC二極管1200V STPSC*H12（圖四，組件D）

控制單元與驅(qū)動(dòng)級(jí)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，ST提供MCU和數(shù)字控制器：
? 最適合功率管理應(yīng)用的32位微控制器為STM32F334（來自STM32F3系列）和STM32G474（來自STM32G4系列）。STM32F3 MCU系列結(jié)合使用了運(yùn)作頻率為72 MHz的32位Arm Cortex-M4內(nèi)核心（采用FPU和DSP指令）、高分辨率定時(shí)器、復(fù)雜波形生成器及事件處理器。運(yùn)作頻率為170 MHz的STM32G4系列32位Arm Cortex-M4+內(nèi)核心為STM32F3系列的延續(xù)，其在應(yīng)用方面降低了成本、簡(jiǎn)化了應(yīng)用設(shè)計(jì)并為設(shè)計(jì)人員提供了探索新的細(xì)分領(lǐng)域和應(yīng)用的機(jī)會(huì)，從而在模擬技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位。

? STNRG388A數(shù)字控制器的核心為狀態(tài)機(jī)事件驅(qū)動(dòng)（SMED），它使組件能夠采用最高分辨率為1.3 ns的六個(gè)可獨(dú)立配置的PWM頻率。每個(gè)SMED均可以透過STNRG內(nèi)部微控制器來配置。一組專用外部周邊完善了STNRG組件：4個(gè)模擬比較器、具有可配置運(yùn)算放大器和8信道序列發(fā)生器的10位ADC以及可實(shí)現(xiàn)高輸出訊號(hào)分辨率的96 MHz 的鎖相環(huán)。
新型STGAP2SICS為設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的6kV電流隔離單閘極驅(qū)動(dòng)器。它具有4A灌/拉電流能力、短傳輸延時(shí)、高達(dá)26V的供電電壓、優(yōu)化的UVLO和待機(jī)功能以及SO8W封裝。

評(píng)估板
ST幾乎為所有應(yīng)用均提供了合適的系統(tǒng)評(píng)估板，其可直接在最終系統(tǒng)或子系統(tǒng)上測(cè)試ST產(chǎn)品的功能。對(duì)于DC充電站，也提供一些評(píng)估板和相關(guān)固件。
STDES-VIENNARECT評(píng)估板（圖五(a)）采用15 kW的三相Vienna整流器，該整流器支持功率因子校正（PFC）級(jí)的混合訊號(hào)控制。
SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET（70 kHz）的高開關(guān)頻率、STPSC20H12 1200V SiC二極管的采用以及多級(jí)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)接近99%的效率，并能在尺寸與成本方面優(yōu)化無源功率組件。STEVAL-VIENNARECT采用混合訊號(hào)控制，并透過STNRG388A控制器進(jìn)行數(shù)字輸出電壓調(diào)節(jié)。專用模擬電路提供高帶寬連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）電流調(diào)節(jié)，可在總諧波失真（THD<5%）和功率因子（PF>0.99）方面實(shí)現(xiàn)最高功率質(zhì)量。

圖五 : 瞄準(zhǔn)DC充電站的PFC解決方案

STDES-PFCBIDIR評(píng)估板（圖五(b)）在功率因子校正（PFC）級(jí)中采用15 kW、三相、三級(jí)有源前端（AFE）雙向轉(zhuǎn)換器。電源側(cè)采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET，可確保高效率（接近99%）。控制STM32G4系列微控制器，并具有用于通訊的聯(lián)機(jī)器以及用于測(cè)試和調(diào)試的測(cè)試點(diǎn)與狀態(tài)指示器。開關(guān)組件的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)由對(duì)應(yīng)的STGAP2S閘極驅(qū)動(dòng)器來管理，以確保獨(dú)立管理開關(guān)頻率與死區(qū)時(shí)間。
STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW無橋圖騰柱升壓電路（圖五(c)）透過數(shù)字浪涌電流限制器（ICL）來達(dá)到數(shù)位功率因子校正（PFC）。其有助于工程師透過以下最新的意法半導(dǎo)體功率套件來設(shè)計(jì)創(chuàng)新拓?fù)洌禾蓟鐼OSFET（SCTW35N65G2V）、閘流體SCR（TN3050H-12WY）、隔離式FET驅(qū)動(dòng)器（STGAP2S）和32位MCU（STM32F334）。